Nedestruktivní identifikace poškozené vrstvy betonu po požáru
K hlavním škodám způsobeným ohněm v betonových konstrukcích patří porušení pevnosti betonu, jeho praskání, odlupování, změna barvy a deformace prvků. Z těchto škod podstatného významu nabývá snížení pevnosti betonu spojené s jeho následným praskáním. Ačkoliv vyčíslit přesné změny jeho pevnosti je nereálné, lze do jisté míry stanovit jeho poškození na základě měření rychlosti ultrazvuku.
1. Šíření vlnění v betonových konstrukcích
Vlivem impulsu na beton vzniká v tomto prostředí převládající podélné a příčné vlnění. podélné vlny jsou nejrychlejší, mají elongační účinek a jejich rychlost závisí na třech rozhodujících parametrech:
- dynamickém modulu pružnosti,
- hustotě betonu,
- Poissonově čísle.
Ze základní fyzikální teorie vyplývá pro rychlost podélného vlnění v nekonečně homogenníma a izotropním pružném prostředí následující výraz [5]:
kde Ed - dynamický modul pružnosti [Pa],
v - Poissonovo číslo,
p - hustota [kg.m-3],
vc – rychlost podélného vlnění [m.s-1].
V rámci rozsáhlého experimentálního výzkumu bylo ověřeno, že krátkodobý i dlouhodobý modul pružnosti betonu je přímo úměrný druhé mocnině jeho pevnosti v tlaku [1] podle vztahu:
kde E – modul pružnosti betonu [MPa],
R – krychelná pevnost betonu [MPa],
K – konstanta úměrnosti,
přičemž různí autoři udávají konstantu úměrnosti v jiných hodnotách. Tak např. Chambaud doporučuje konstantu K uvažovat v rozmezí 16000 až 23 000 [1], francouzské předpisy [1] K = 18 000, podle vídeňských předpisů K = 12 500. V obecném případě Ed je o 20 až 50 % větší, než je odpovídající statický modul pružnosti.
2. Vliv vyšších teplot na šíření vlnění v betonu
Na základě experimentálního měření [5] byl ověřován vztah mezi modulem pružnosti betonu a vzrůstající teplotou a porovnáván se závislostí rychlosti vlnění na teplotě (obr. 1). Tím, že oheň strukturálně mění vnější vrstvu betonu, jádro betonu má ve srovnání se zasaženou vnější vrstvou značně nižší teplotu (v mnoha případech si jádro betonu ponechává svou původní pevnost a je žádoucí, aby byla posuzována jen určitá tloušťka povrchu betonu, na který působí oheň).
Obr. 1. Změna modulu pružnosti a rychlosti vlnění v závislosti na teplotě
Podle tohoto experimentálního měření byly vyneseny křivky teploty na železobetonové desce, zahřáté z jedné strany v závislosti na čase, jak to dokládá graf na obr. 2. Z obr. 2 je patrné, že došlo ke značné změně teploty ve vrstvách betonu, které se nacházejí dále od zahřívané strany. Jestliže teplota na vnitřní vrstvě je např. 240 °C, může být za použití grafu na obr. 1 rychlost vlnění ve vrstvě vyjádřena jako 0,8.vc. Vynesením vodorovné čáry u hodnoty povrchové teploty na grafu v obr. 2 dostaneme hloubku, do níž teplo pronikne. Hloubky pronikání dosahují cca 20, 50 a 80 mm, popř. pro povrch jsou to teploty 300, 500 a 700 °C.
Obr. 2 Rozložení tepla v desce zahřáté na jedné straně
Použitím výše uvedených hodnot rychlost pronikání teploty do průřezu může být znázorněna na základě rychlosti šíření hoření (obr. 3). Graf na tomto obrázku představuje hloubku pronikání z exponovaného povrchu do vrstvy, mající danou hodnotu rychlosti se vzrůstem teploty. Závislosti byly zpracovány pro 0,95 vc, 0,90 vc, 0,80 vc, 0,70 vc a všechny jsou lineární.
Obr. 3. Rychlost šíření vlnění jako funkce teploty
Redukce pevnosti zahřátého betonu je zobrazena na obr. 4, kde nad 300 °C se projevuje značná její změna. Porovnáním grafu na obr. 1 s grafem na obr. 4 odvodíme křivku A na obr. 5. Použijeme-li vztahy mezi pevností, modulem pružnosti a rychlostí šíření vln, dostaneme tak křivky B a C.
Obr. 4. Snížení pevnosti zahřátého betonu
3. Stanovení oblastí poškozených ohněm
Největším významem šíření vln je rozlišení zbytkové pevnosti v jádře betonu a tloušťky poškozené betonové vrstvy na vnější straně průřezu. Za předpokladu, že jádro betonu je nepoškozené, rychlost šíření vlnění je v něm stejná jako v nezasažených obklopujících prvcích a zanedbávají se rozdíly pevnosti betonu v době zpracování, lze použít pro stanovení tloušťky poškozeného betonu s jednou stranou průřezu vystavenou ohni následující rovnici, která byla odvozena Tomsettem [6]:
kde d – tloušťka poškozeného betonu [m],
T – perioda vlnění [s],
D – celková tloušťka betonového prvku [m].
Obr. 5. Vztah mezi změnou pevnosti betonu a změnou rychlosti vlnění
Rovnice /3/ platí za těchto podmínek:
- v jádru se vlnění šíří rychlostí vc, která je buď daná nebo je změřena na nepoškozeném prvku o stejné pevnosti,
- rychlost vlnění se lineárně zvyšuje od 0 na exponovaném povrchu k vc ve vzdálenosti d.
Uvažujeme-li, že vc je rychlost vlnění v nezahřátém betonu, potom rychlost na zahřáté straně je možno vyjádřit jako n.vc za použití grafu na obr. 1, kde n je číslo < 1. Lze předpokládat, že konstantní rychlost vlnění se rovná jeho plné hodnotě, odpovídající 0,95 vc při určité tloušťce betonu D1. Jestliže T je perioda měřená v poškozené části a pokud betonový průřez je po poškození pro různé n-násobné rychlosti vlnění lineární s rovnoběžnými stranami, je možno uvažovat, že průměrná rychlost v zahřátém betonu je 0,5.(0,95 + n) a potom
Z toho lze vypočítat
Změna rychlosti vlnění však vždy neodpovídá změně pevnosti betonu. Ačkoliv se rychlost vlnění při teplotě 300 °C mění asi o 15 %, nedochází ke změně pevnosti betonu. Proto není nutné považovat za méně hodnotný beton v té části konstrukce, kde rychlost vlnění je rovna 0,85 vc. V dynamicky zatížených konstrukcích je účelné opravit beton až do hloubky, kde je dosaženo alespoň rychlosti vlnění 0,95 vc. Lze to zdůvodnit tím, že mikrotrhliny vznikající v betonu již při relativně nízkých teplotách se mohou při dynamickém namáhání zvětšovat ve větší trhliny.
Hlavním úkolem v uvedené metodě je měření teploty během požáru. Zdá se, že maximální teplota dosažená za požáru je spolehlivějším parametrem k určení rozsahu poškození betonu než rychlost vlnění měřená na nezasažených místech v blízkosti částí betonu vystavených požáru.
4. Příklad posouzení nosného železobetonového sloupu volně vystaveného ohni
Základní údaje: maximální teplota na vnější straně: 500 °C
tloušťka sloupu D = 600 mm
předpokládaná doba kmitu T = 155 mikrosekund
rychlost vlnění na vnější straně n = 0,62
Řešení:
hloubka betonu vzhledem k části, kde rychlost vln je 0,95.vc= 110 mm (graf na obr.3 9.6 pro zahřátí konstrukce z jedné strany) D1 = 2.110 = 220 mm (pro obě strany)
průměrná rychlost v betonovém jádře:
tloušťka poškozeného betonu vystaveného ohni podle rovnice /3 16/:
Takto zjištěná tloušťka musí být opravena pro 0,85 vc při 500°C: z grafu na obr. 3 9.6 je možno zjistit na každé straně průřezu d = 70 mm; v případě, že sloup bude dynamicky namáhán, potom d po korekci na základě grafu na obr. 3 9.6 pro 0,95 vc bude 110 mm.
Literatura:
[1] Jílek, A., Šmerda, Z., Grenčík, L´., Novák,V.: Betonové konstrukce – I.díl, SNTL Praha 1965, str.108
[2] Kumar, V., Roy, B.N.: Effect of temperature on the properties of superplasticized concrete, The Indian Concrete Journal, 1989, July, pp.350 - 352
[3] Kupilík, V.: Konstrukce pozemních staveb 80 - Požární bezpečnost staveb, Přednášky, Učební texty ČVUT, Praha, 2004
[4] Kupilík, V.: Vliv požáru na statické chování stavebních konstrukcí, Sborník z mezinárodní konference Požární ochrana 1994 - sekce Požární prevence, Vysoká škola báňská v Ostravě, září 1994, str. 26 - 30
[5] Lakshmanan,N.,Mani,K.: Determining the extent of damage due to fire in concrete structures by ultrasonic pulse velocity measurements, Indian Concrete Journal, July,1986, pp.187 - 191]
[6] Tomsett, H., N.: Ultrasonic pulse velocity measurements in the assessment of concrete quality, Magazine of Concrete Research, March, 1980, No.110, pp.7 – 16]
The major damages in concrete structures caused by fire are a breach of the concrete strength, the cracking, peeling, discoloration and deformation of elements. The most important are reduction in concrete strength becomes associated with its subsequent bursting. Although quantification of the main changes of the strength is unreal, it is possible to determine its damage by measuring the speed of ultrasound.
